一种测量闸门静摩阻力的试验装置及方法与流程

本发明属于水利水电工程钢结构领域，是利用三轴力传感器和拉力传感器测得竖向力从而计算平面闸门降落时摩阻力的方法，主要解决在计算闸门摩阻力时因摩擦系数选取误差而直接导致启闭机容量选择不当和平面闸门在动水中因对摩阻力计算不准确造成闸门落不到位的实际工程问题。

背景技术：

闸门是水工建筑物中活动的挡水结构,用它来关闭、开启或局部开启过水孔口，以控制水位、调节流量等。因此，闸门的安全稳定对于水利枢纽的正常运行具有重要意义。平面闸门因构造简单、使用轻巧、养护方便，价格低廉、对建筑物的布置要求较低且容易实现，一直以来在水利工程中被广泛使用。然而，随着高坝大库水利枢纽工程的建设，常需要满足高水头、大泄量的运行条件，平面事故闸门在动水中能否正常关闭，以及其在关闭过程中的水动力特性，一直是闸门设计及运用中所关注的焦点问题。在工程实践中，常发生闸门闭门时门叶自重和水柱压力不足以克服摩阻力，从而造成平面事故闸门闭门卡阻，甚至无法完全关闭的工程问题，严重威胁机组及上、下游建筑物的安全。

目前我国现行的《水利水电工程钢闸门设计规范》(sl74-95)中，给出了平面闸门和弧形闸门的启门力的计算公式。前人的研究大多针对常见潜孔式平面闸门的启闭力，而对闸门所受的摩阻力的试验较少提及，只能通过《水利水电工程钢闸门设计规范》(sl74—95)对几种典型的摩擦系数在一个范围内进行选定。钢对钢(干摩擦)的摩擦系数为0.15～0.60；滑动轴承摩擦系数：钢对青铜(干摩擦)的摩擦系数为0.16～0.30，钢基铜塑复合材料对镀鉻钢(不锈钢)的摩擦系数为0.05～0.14”。这些摩擦系数只是给出了一个范围，具体取多少根据当时情况而定，这样在计算摩擦力时就有很大的盲目性,很容易因取值不当造成所得摩擦力偏大或偏小，这将直接导致启闭机容量选择不当。如巴西、巴拉圭的伊泰普水电站的导流底孔平面闸门，其挡水面积为7.6m×22m、水头为140m、总水压力为199.81mn(约19000t)。假设在设计阶段进行行走支承摩擦力计算时，选用的摩擦系数为0.1，摩擦力的计算结果为1900t。如果选用的摩擦系数与实际摩擦系数相差10％，那么所计算的行走支承摩擦力就相差190t。这就是一个非常惊人的偏差，因此在设计阶段如何更加科学、合理地计算摩擦阻力对于高水头闸门启闭机容量的选择非常重要。轻者导致所选启闭机容量偏大、造成浪费，重者造成所选启闭机容量偏小不能及时开启闸门酿成重大事故，所以对闸门摩阻力的研究就显得十分必要。本发明为一种创新的可以利用三轴力传感器和拉力传感器的配合使用便可直接得出摩阻力大小的方法，其优点在于闸门在动水闭门过程中直接测出所产生的摩阻力，避免了选取摩擦系数造成计算摩擦力误差，从而可以准确的选择启闭机容量和增加或减小闸门运行时的持住力，实现闸门的顺利闭门。

技术实现要素：

本发明是一种测量闸门运行时所产生摩阻力的方法，用以解决平面事故闸门在动水闭门过程中，因摩擦系数选取的误差造成启闭机容量选取不当和对实际摩阻力的估算不足造成难以克服摩阻力而导致的闭门卡阻、闸门落不到位等实际工程问题。同时，对于实际中已投入长期运行的平面事故闸门，由于水质和门槽材料锈蚀等原因会导致闸门在运行时摩阻力变大，可以在闸门槽有限的条件下，通过在闸门结构上布设传感器，计算出闸门运行时的摩阻力，对重新判定启闭机容量和持住力有指导意义。

本发明采用的技术方案是：

一种测量闸门静摩阻力的试验装置，包括闸门、闸门井，闸门是由门页横梁、门页纵梁、闸门上游面板组成的板状闸门体，闸门上游面板位于闸门上游侧，闸门顶部设有闸门吊耳；包括拉力传感器和三轴力传感器，所述的拉力传感器连接在闸门吊耳上，三轴力传感器布置在闸门上游面板的下游侧；包括钢板，用于测量闸门在动水中的竖向力时，将钢板的一端通过螺钉与三轴力传感器连接，三轴力传感器固定在闸门上；钢板另一端通过铆钉与闸门井固定连接。

进一步的，本发明所述的闸门底部设有闸门底缘，当闸门下落时，闸门底缘与闸门井底部的进水口流道底板接触。闸门两侧设有事故闸门门槽，其两端为流道边壁。

进一步的，本发明三轴力传感器为两个，分别布置在闸门面板下游侧的门叶上下两端的梁格内，并与闸门面板的下游侧进行焊接。

进一步的，本发明所述的闸门纵向两侧设有支撑滑块，支撑滑块设置在闸门两侧端部的纵梁上，用于在闸门升降时减小闸门在事故闸门门槽内滑动的阻力，并使闸门在事故闸门门槽内水流方向起到支撑作用。

一种测量闸门静摩阻力的试验方法，通过三轴力传感器和拉力传感器配合使用测试闸门运行时摩阻力，将三轴力传感器布置在闸门梁格内并与面板进行焊接，闸门面板在上游，在传感器的下游面增设一块长方形钢板；闸门采用上下游均可以封水的型式，当闸门用三轴力传感器测量竖向力时，则只进行上游水封，上游水封型式为p型水封并且涂抹大量的润滑材料；在测定闸门某一开度的摩阻力时，为保证闸门结构的整体安全稳定，将钢板的另一端用铆钉固定在闸门井上；当利用钢丝绳上的拉力传感器测量闸门持住力时，闸门下游进行水封，此时闸门上游水封依然在起作用；测出竖向力与持住力时进行做差，就可以计算出闸门下游侧与门槽之间的摩阻力。

进一步的，本发明在三轴力传感器上增设的钢板，旨在计算闸门在某一开度的摩阻力时可以将闸门与闸门井进行固定，增设的钢板一端与三轴力传感器固定，另一端与闸门井固定并且与门叶保持平行，使闸门紧靠上游门槽并且处于上游封水的状态，与下游门槽将产生一定的空隙，此时，拉力传感器和钢丝绳处于不受力状态，钢板承受整个闸门的重力。

进一步的，本发明所述的利用钢丝绳上的拉力传感器测量闸门持住力，是指闸门在布设拉力传感器后且不增设钢板测出的持住力，不加钢板是因为闸门在水流的冲击下会紧靠下游门槽，此时，闸门与闸门井之间的距离比较小，为不影响闸门下游水封和闸门的正常启闭，所以在使用拉力传感器测量持住力时不增加钢板。

进一步的，本发明摩阻力的计算，是指在利用三轴力传感器测量某一开度的竖向力时，门叶因钢板与闸门井的固定紧靠上游门槽且与下游门槽分离，此时测得的竖向力是没有摩阻力的情况；利用拉力传感器测量持住力时门叶因水流冲击紧靠下游门槽，这样两者相减便可得出某一开度下门叶与下游门槽的摩阻力。

本发明的有益效果是：

1、一种测量闸门动水闭门时摩阻力的方法，其优点在于可以在无需取值摩擦系数条件下，通过布设传感器，便可测得实际摩阻力，从而达到精确的选取闸门启闭机的容量，避免不必要的损失。

2、本发明中测量摩阻力的方法，在不同的开度下，利用闸门上布设两个三轴力传感器测出闸门竖向力，利用拉力传感器测得持住力，两者相减均可得出摩阻力，以解决闸门启闭机容量选择问题和闸门下落时，由于对摩阻力估算不足，无法克服摩阻力的问题，达到闸门在动水中顺利关闭的效果。

3、本发明中的三轴力传感器测得作用于闸门上的竖向力同时也可以测得作用在闸门面板上的动水压力，再乘以选取的摩擦系数，则可以与测出的摩擦力进行对比，判断本发明的正确性，同时，又可以节省对动水压力的计算时间。

4、本发明中的三轴力传感器也可测得垂直水流方向的对闸门作用的横向力，横向作用力是否为0，便可以判断本发明中固定在闸门井上的闸门是否出现倾斜或者上游封水不严密的情况。

5、本发明有自我校核、易于操作、作用效果明显的优点。

附图说明

图1为布设三轴力传感器和钢板的事故闸门的主视图。

图2为图1a-a剖面图。

图3为图1b-b剖面图。

图4为利用拉力传感器测得原闸门在动水闭门过程中持住力随开度的变化情况图。

图中标号，1闸门吊耳；2支承滑块；3门页纵梁；4三轴力传感器；5钢板；6门页横梁；7闸门上游面板；8螺钉；9铆钉；10闸门井；11拉力传感器；12闸门底缘；13进水口流道底板；14进水口流道边壁；15事故闸门门槽。

具体实施方式

参见图1、图2、附图3，本发明实验装置包括闸门、闸门井10，闸门包括门页横梁6和门页纵梁3、闸门上游面板7组成的板状闸门体，闸门上游面板7位于闸门上游侧，闸门顶部设有闸门吊耳1。包括拉力传感器11和三轴力传感器4，所述的拉力传感器11连接在闸门吊耳1上，三轴力传感器4布置在闸门上游面板7的下游侧，主要是在门叶中上下两端适当的梁格位置内分别将三轴力传感器放置，传感器的一面与闸门面板的下游侧进行焊接。闸门两侧设有事故闸门门槽15，其两端为流道边壁。所述的闸门底部设有闸门底缘12，当闸门下落时，闸门底缘12与闸门井10底部的进水口流道底板13接触。所述的闸门纵向两侧设有支撑滑块2，支撑滑块2设置在闸门两侧端部的纵梁上，用于在闸门升降时减小闸门在事故闸门门槽15内滑动的阻力，并使闸门在事故闸门门槽15内水流方向起到支撑作用。在传感器的下游面增设一块长方形钢板5，增设的钢板5应选取刚度较大的钢材，在不影响闸门下落的基础上根据闸门与闸门井10之间的宽度合理设计尺寸。闸门采用上下游均可以封水的型式，当闸门用三轴力传感器4测量竖向力时，则只进行上游水封，在测定闸门某一开度的摩阻力时，将钢板5的一端通过螺钉8与三轴力传感器4连接；为保证闸门结构的整体安全稳定，钢板5另一端通过铆钉9与闸门井10固定连接并且与门叶保持平行，通过螺钉8支撑三轴力传感器4，使闸门紧靠事故闸门门槽15上游并且处于上游封水的状态，使支撑滑块2与事故闸门门槽15下游侧产生空隙。此时拉力传感器11处于不受力状态，钢板承受整个闸门的重力，三轴力传感器4可以测得垂直水流竖向力；在测量持住力时，将钢板5去掉，不加钢板是因为闸门在水流的冲击下会紧靠下游门槽，此时，闸门与闸门井之间的距离比较小，为不影响闸门下游水封和闸门的正常启闭，所以在使用拉力传感器11测量持住力时不增加钢板。三轴力传感器4保持不受力状态，支撑滑块2在水流的作用下会与事故闸门门槽15下游侧贴紧，拉力传感器11测得持住力。将三轴力传感器4与拉力传感器11测得的力做差，就可求得闸门在工作时支撑滑块2与事故闸门门槽15下游侧所产生的摩阻力。

本发明中的三轴力传感器4为两个，分别布置在闸门面板下游侧的门叶上下两端的梁格内，并与闸门面板的下游侧进行焊接。

当上游水位2515.0m，水流为闸孔出流，利用拉力传感器测得原闸门在动水闭门过程中持住力随开度的变化情况如图4所示，在闸门10％、20％、30％、40％、50％、60％、80％的开度下用拉力传感器测得持住力为下表第1行所得结果。通过物理模型试验，测得三轴力传感器垂直水流的竖向力为第2行结果，两者相减得摩摩擦力a为第3行结果；依据摩擦力公式，测得该闸门的综合动摩擦系数为0.28，通过计算作用于闸门面板上的静水压力结果为第4行所示，用第4行数据乘以摩擦系数0.28得到摩擦力b，将摩擦力a和摩擦力b作对比发现结果相差很小，即本试验是有效可行的。